TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƢNG LUYỆN LIÊN TỤC HỖN HỢP HAI CẤU TỬ CACBON D[.]
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HĨA HỌC BỘ MƠN Q TRÌNH - THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM ĐỒ ÁN MƠN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƢNG LUYỆN LIÊN TỤC HỖN HỢP HAI CẤU TỬ CACBON DISULFUA – CACBON TETRACLORUA Ngƣời thiết kế Lớp, khóa Ngƣời hƣớng dẫn : Nguyễn Minh Đạt : Kĩ thuật hóa học – K60 : GS TS Nguyễn Hữu Tùng HÀ NỘI 2018 VIỆN KỸ THUẬT HỐ HỌC BỘ MƠN Q TRÌNH – THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HỐ HỌC VÀ THỰC PHẨM _ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MƠN HỌC Họ tên: Nguyễn Minh Đạt Lớp: Cơng nghệ Xenluloza-Giấy MSSV: 20150846 Khóa : K60 I Đầu đề thiết kế: Tính tốn, thiết kế hệ thống chƣng luyện liên tục làm việc áp suất khí để tách hỗn hợp hai cấu tử CS2 – CCl4 Loại tháp: tháp chƣng luyện loại đĩa chóp II Các số liệu ban đầu: - Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu: F = 6.0 (kg/s) - Nồng độ tính theo cấu tử dễ bay hơi: + Hỗn hợp đầu : aF = 37 (% khối lƣợng) + Sản phẩm đỉnh : aP = 97,5 (% khối lƣợng) + Sản phẩm đáy : aW = 0,5 (% khối lƣợng) III Nội dung phần thuyết minh tính tốn: Phần mở đầu Vẽ thuyết minh sơ đồ cơng nghệ (bản vẽ A4) Tính tốn kỹ thuật thiết bị Tính chọn thiết bị phụ Kết luận Tài liệu tham khảo IV Các vẽ Bản vẽ dây chuyền công nghệ: Bản vẽ lắp thiết bị chính: khổ A4 khổ A1 V Cán hƣớng dẫn: GS TS Nguyễn Hữu Tùng VI Ngày giao nhiệm vụ: ngày 18 tháng năm 2018 VI Ngày phải hoàn thành: ngày 21 tháng 12 năm 2018 Phê duyệt Bộ môn Ngày tháng năm Ngƣời hƣớng dẫn ( Họ tên chữ ký) Đồ án Quá trình-Thiết bị CNHH-TP GVHD: GS.TS.Nguyễn Hữu Tùng MỤC LỤC MỤC LỤC - PHẦN MỞ ĐẦU - PHẦN SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ - 2.1 Sơ đồ công nghệ, thích: - - 2.2 Thuyết minh sơ đồ công nghệ - PHẦN BẢN KÊ CÁC KÍ HIỆU VÀ ĐẠI LƢỢNG - 12 3.1 Các kí hiệu đại lƣợng - 12 - 3.2 Các số dƣới - 13 - PHẦN TÍNH TỐN KỸ THUẬT THIẾT BỊ CHÍNH - 14 4.1 Tính cân vật liệu - 14 4.1.1 Chuyển đổi nồng độ - 14 - 4.1.2 4.1.2.1 Xác định số hồi lƣu Rth - 14 Biểu diễn đƣờng cân pha lỏng – - 14 - 4.1.2.2 4.1.2.3 Xác định số hồi lƣu nhỏ Rmin - 17 Xác định số đĩa lí thuyết nhỏ NLTmin - 19 - 4.1.2.4 Xác định số hồi lƣu thích hợp Rth - 20 4.1.3 Tính cân vật liệu đoạn chƣng đoạn luyện để xác định lƣu lƣợng dòng pha đoạn tháp - 23 4.1.3.1 4.1.3.2 4.2 4.2.1 4.2.1.1 4.2.1.2 4.2.1.3 4.2.2 4.2.3 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 Giải cân vật liệu toàn tháp chƣng luyện - 23 Tính tốn lƣu lƣợng dịng pha đoạn tháp - 25 Xác định đƣờng kính tháp chƣng luyện - 28 Xác định tốc độ làm việc pha đoạn chƣng, đoạn luyện - 28 Khối lƣợng riêng trung bình - 28 Tốc độ khí (hơi) trung bình đoạn luyện tháp chóp - 30 Tốc độ trung bình đoạn chƣng tháp chóp - 30 Tính đƣờng kính đoạn luyện tháp - 31 Tính đƣờng kính đoạn chƣng tháp - 31 Xác định chiều cao tháp chƣng luyện - 32 Xác định số đĩa lí thuyết dựa vào đồ thị Mc Cabe – Thiesel - 33 Xác định số đĩa thực tế dựa hiệu suất trung bình - 34 Chiều cao tháp chƣng luyện - 35 - 4.4 4.4.1 4.4.1.1 4.4.1.2 Cân nhiệt lƣợng tháp chƣng luyện - 36 Cân nhiệt lƣợng hỗn thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu: - 36 Nhiệt lƣợng đốt mang vào - 36 Nhiệt lƣợng hỗn hợp đầu mang vào - 36 - SVTH: Nguyễn Minh Đạt - MSSV: 20150846 Trang - - Đồ án Quá trình-Thiết bị CNHH-TP 4.4.1.3 4.4.1.4 4.4.1.5 4.4.2 4.4.2.1 4.4.2.2 4.4.2.3 4.4.2.4 4.4.2.5 4.4.2.6 4.4.2.7 4.4.2.8 4.4.3 4.4.3.1 4.4.3.2 4.4.4 4.4.4.1 4.4.4.2 4.5 4.5.1 4.5.1.1 4.5.1.2 4.5.1.3 4.5.1.4 4.5.1.5 4.5.2 4.5.2.1 4.5.2.2 4.5.3 4.5.3.1 4.5.3.2 4.5.3.3 4.5.4 4.5.4.1 4.5.4.2 4.5.5 4.5.5.1 GVHD: GS.TS.Nguyễn Hữu Tùng Nhiệt lƣợng hỗn hợp đầu mang - 37 Nhiệt lƣợng nƣớc ngƣng mang - 37 Nhiệt lƣợng môi trƣờng xung quanh lấy - 37 Cân nhiệt lƣợng tháp chƣng luyện - 38 Nhiệt lƣợng hỗn hợp đầu mang vào - 38 Nhiệt lƣợng đốt mang vào đáy tháp - 38 Nhiệt lƣợng lƣợng lỏng hồi lƣu mang vào - 39 Nhiệt lƣợng mang đỉnh tháp - 39 Nhiệt lƣợng sản phẩm đáy mang - 40 Nhiệt lƣợng nƣớc ngƣng mang - 40 Nhiệt lƣợng môi trƣờng xung quanh lấy - 40 Kiểm tra đƣờng kính thiết kế tháp - 41 Cân nhiệt lƣợng thiết bị ngƣng tụ - 41 Nếu ngƣng tụ hồi lƣu - 41 Nếu ngƣng tụ hoàn toàn - 42 Cân nhiệt lƣợng thiết bị làm lạnh - 42 Nếu thiết bị ngƣng tụ ngƣng tụ lƣợng hồi lƣu - 42 Nếu ngƣng tụ hoàn toàn thiết bị ngƣng tụ - 42 Tính khí - 42 Tính chọn đƣờng kính ống nối - 43 Ống dẫn nhập liệu đầu - 43 Ống tháo sản phẩm đáy - 44 Ống dẫn lấy sản phẩm đỉnh - 44 Ống dẫn hồi lƣu lỏng từ thiết bị ngƣng tụ tháp - 45 Ống dẫn hồi lƣu đáy tháp - 45 Tính chiều dày thành tháp, đáy tháp nắp tháp - 46 Tính chiều dày thân tháp - 46 Tính đáy nắp thiết bị - 49 Chọn bích nối thân tháp với đáy nắp tháp, với ống nối - 51 Chọn bích nối thân tháp với đáy nắp tháp - 51 Chọn bích nối thân tháp với ống dẫn - 52 Lắp kính quan sát - 53 Tính chọn (tra cứu) kết cấu đĩa chóp - 54 Tính, chọn thơng số chóp - 54 Tra cứu, tính chọn đặc trƣng kĩ thuật đĩa chóp - 57 Tính chọn cấu đỡ tháp (trụ đỡ, chân đỡ, tai treo ) - 58 Tính tải trọng tháp làm việc - 58 - SVTH: Nguyễn Minh Đạt - MSSV: 20150846 Trang - - Đồ án Quá trình-Thiết bị CNHH-TP 4.5.5.2 4.5.5.3 4.6 4.6.1 4.6.1.1 4.6.1.2 4.6.2 4.6.2.1 4.6.2.2 4.6.3 4.6.4 4.6.5 PHẦN 5.1 5.1.1 5.1.1.1 5.1.1.2 5.1.2 5.1.2.1 5.1.2.2 5.1.2.3 5.1.2.4 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6 5.2 5.2.1 5.2.1.1 5.2.1.2 5.2.1.3 5.2.1.4 5.2.1.5 5.2.1.6 5.2.2 5.3 5.3.1 GVHD: GS.TS.Nguyễn Hữu Tùng Tính chiều dày trụ đỡ - 63 Vòng chịu tải đáy trụ đỡ bu-lông định vị - 64 Tính trở lực tháp chƣng luyện - 65 Trở lực đĩa khô ΔPk: - 66 Trở lực đĩa khô đoạn luyện - 66 Trở lực đĩa khô đoạn chƣng - 67 Trở lực lớp chất lỏng khơng chứa khí đĩa tạo ΔPL: - 67 Trở lực lớp chất lỏng khơng chứa khí đĩa đoạn luyện - 68 Trở lực lớp chất lỏng khơng chứa khí đĩa đoạn chƣng - 68 Trở lực tổng cộng tháp chƣng luyện - 69 Tính, kiểm tra tải trọng ngƣỡng chảy tràn - 69 Tính, kiểm tra hoạt động kênh chảy truyền chất lỏng - 70 TÍNH TỐN, LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ - 71 Tính tốn thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu - 71 Tính lƣợng nhiệt trao đổi - 71 Xác định động lực trình truyền nhiệt - 71 Lƣợng nhiệt trao đổi - 72 Xác định hệ số truyền nhiệt K - 72 Xác định hệ số cấp nhiệt α2 - 73 Xác định tổng trở nhiệt thành ống Σr - 75 Xác định hệ số cấp nhiệt nƣớc bão hòa α1 - 75 Xác định hệ số truyền nhiệt K - 76 Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt - 76 Xác định số ống, cách xếp ống thiết bị trao đổi nhiệt - 76 Tính lại vận tốc chia ngăn thiết bị - 77 Đƣờng kính thiết bị - 77 Tính bơm - 77 Áp suất toàn phần Δp - 78 Áp suất động lực học - 79 Áp suất để khắc phục trở lực ma sát đƣờng ống thẳng - 79 Áp suất để khắc phục trở lực cục - 80 Áp suất để khắc phục áp suất thủy tĩnh - 81 Áp suất để khắc phục trở lực thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu - 81 Áp suất toàn phần - 83 Tính tốn thơng số bơm li tâm - 83 Tính tốn thiết bị ngƣng tụ hồi lƣu - 84 Tính lƣợng nhiệt trao đổi - 85 - SVTH: Nguyễn Minh Đạt - MSSV: 20150846 Trang - - Đồ án Quá trình-Thiết bị CNHH-TP 5.3.1.1 5.3.1.2 5.3.2 5.3.2.1 5.3.2.2 5.3.2.3 5.3.2.4 5.3.3 5.3.4 5.3.5 PHẦN PHẦN PHẦN GVHD: GS.TS.Nguyễn Hữu Tùng Xác định động lực trình truyền nhiệt - 85 Lƣợng nhiệt trao đổi - 85 Xác định hệ số truyền nhiệt K - 85 Xác định hệ số cấp nhiệt α2 - 86 Xác định tổng trở nhiệt thành ống Σr - 87 Xác định hệ số cấp nhiệt sản phẩm đỉnh α1 - 88 Xác định hệ số truyền nhiệt K - 88 Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt - 88 Xác định số ống, cách xếp ống thiết bị trao đổi nhiệt - 89 Đƣờng kính thiết bị - 89 KẾT LUẬN - 90 PHỤ LỤC - 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO - 93 - SVTH: Nguyễn Minh Đạt - MSSV: 20150846 Trang - - Đồ án Quá trình-Thiết bị CNHH-TP GVHD: GS.TS.Nguyễn Hữu Tùng PHẦN MỞ ĐẦU Đồ án nhằm giúp sinh viên biết vận dụng kiến thức mơn học “Q trình thiết bị cơng nghệ hóa học” mơn học khác vào việc tính tốn thiết kế thiết bị số thiết bị phụ hệ thống Các kĩ sử dụng tài liệu tham khảo (tìm, đọc, tra cứu, ghi chép, xếp ), kĩ tính tốn trình bày kết quả, vận dụng quy định để hoàn thiện vẽ kĩ thuật đƣợc trau dồi Từ giúp sinh viên nhìn nhận vấn đề nói chung cách có hệ thống đặc biệt hiểu sâu sắc nội dung trình bày đồ án để bổ sung kiến thức, cải thiện kĩ phục vụ cho công việc kĩ sƣ tƣơng lai Nhiệm vụ đồ án tính tốn thiết kế tháp chƣng luyện loại đĩa chóp làm việc liên tục áp suất khí tách hỗn hợp gồm hai cấu tử CS2 (cacbon tetraclorua) – CCl4(cacbon disunfua), với yêu cầu: suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu: F = 6.0 (kg/s); nồng độ tính theo cấu tử dễ bay trong: hỗn hợp đầu aF = 37 (% khối lƣợng), sản phẩm đỉnh aP = 97,5 (% khối lƣợng); sản phẩm đáy aW = 0,5 (% khối lƣợng) Trƣớc thập niên 1950, CCl4 đƣợc điều chế cách clo hóa CS2 nhiệt độ 105-1300C theo phản ứng: CS2 + 3Cl2 → CCl4 + S2Cl2 nên việc chƣng tách hỗn hợp cần thiết Hỗn hợp hai cấu tử dạng lỏng tan lẫn vào có nhiệt độ sơi cách xa CS2 có nhiệt độ sơi 46,30C, độc dung môi tốt cho nhiều chất nhƣ brom, iot, lƣu huỳnh, photpho, chất béo, cao su, nhựa Trên thực tế phần lớn CS2 đƣợc sản xuất dùng công nghiệp sợi (sản xuất tơ visco) làm dung môi chất chiết CCl4 nhiệt độ sôi 76,80C có nhiều ứng dụng Đầu kỷ XX, CCl4 đƣợc sử dụng rộng rãi làm dung môi tẩy rửa khô, làm chất làm đông lạnh hay dập lửa Tuy nhiên, phơi nhiễm CCl4 có ảnh hƣởng nghiêm trọng tới sức khỏe nên từ khoảng năm 1940 trở tetracloroethylen bắt đầu đƣợc sử dụng làm chất thay an tồn CCl4 cịn đƣợc dùng làm thuốc trừ sâu bọ, nhƣng bị cấm Hoa Kỳ từ năm 1970 Trƣớc có nghị định thƣ Montreal, lƣợng lớn CCl4 đƣợc sử dụng để sản xuất chất làm lạnh, nhiên chúng lại gây suy giảm ôzôn nên dần bị loại bỏ Chƣng cất phƣơng pháp dùng để tách hỗn hợp lỏng nhƣ hỗn hợp khí – lỏng thành cấu tử riêng biệt, dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp Hỗn hợp có cấu tử ta thu đƣợc nhiêu sản phẩm Có nhiều biện pháp chƣng cất khác nhƣ chƣng cất gián đoạn, chƣng cất liên tục, chƣng cất đơn giản, chƣng cất đặc biệt Trong đó, chƣng luyện phƣơng pháp chƣng phổ biến đƣợc ứng dụng rộng rãi thực tế đem lại hiệu kinh tế cao Phƣơng pháp chƣng luyện q trình mà hỗn hợp đƣợc bốc SVTH: Nguyễn Minh Đạt - MSSV: 20150846 Trang - - Đồ án Quá trình-Thiết bị CNHH-TP GVHD: GS.TS.Nguyễn Hữu Tùng phần ngƣng tụ phần nhiều lần Quá trình chƣng luyện đƣợc thực tháp chƣng luyện, có nhiều loại tháp chƣng luyện nhƣ tháp chóp, tháp dĩa lỗ khơng có ống chảy truyền, tháp đĩa lỗ có kênh chảy truyền, tháp đệm với áp suất làm việc thiết bị áp suất cao, áp suất thƣờng, áp suất thấp Do thiết bị đa dạng nhƣ nên yêu cầu lựa chọn, thiết kế loại tháp phù hợp với yêu cầu kĩ thuật, nhƣ đảm bảo tính kinh kế cần thiết Tháp chƣng luyện loại đĩa chóp thuộc loại chéo dịng, lâu đời truyền thống Hơi tháp từ dƣới lên qua ống hơi, vào không gian ống chóp, sau qua rãnh chóp sục vào lớp chất lỏng đĩa Do CS2 dễ bay CCl4 nên chƣng luyện ta thu đƣợc sản phẩm đỉnh giàu CS2 sản phẩm đáy giàu CCl4 Đặc điểm bật đĩa loại chóp có lắp ống nên mức chất lỏng đĩa đƣợc giữ ổn định tất vận tốc khí (hơi) khác Do ƣu điểm tháp chóp hiệu suất truyền khối cao, ổn định, tiêu tốn lƣợng Tuy nhiên cấu tạo phức tạp chóp mà việc chế tạo phức tạp, tốn vật liệu chế tạo trở lực tháp lớn Theo “Sổ tay trình thiết bị Cơng nghiệp hóa học, tập 2” [2], bảng XII.47 trang 350 bảng XII.50 trang 351, thép CT3 đảm bảo yêu cầu kĩ thuật để chế tạo tháp chƣng luyện tách hỗn hợp CS2 – CCl4 (để đảm bảo độ bền, quét thêm lớp sơn chống gỉ bên ngồi với điều kiện khơng khí ẩm nhƣ Việt Nam) Tuy nhiên đồ án vật liệu đƣợc chọn để chế tạo tháp thép X18H10T đảm bảo yêu cầu kĩ thuật, tính thẩm mĩ, tính kinh tế, đảm bảo thời gian sử dụng lâu dài Đồ án đƣợc hoàn thành với phần chính: - Phần 1: Mở đầu: Giới thiệu tóm tắt mục đích đề tài, phƣơng pháp cơng nghệ đƣợc giao thiết kế, tính chất sản phẩm ứng dụng - Phần 2: Sơ đồ, mô tả dây chuyền công nghệ - Phần 3: Phƣơng pháp kết tính thiết bị với nội dung chính: Tính cân vật liệu, xác định thơng số tháp (đƣờng kính, chiều cao, trở lực, ), tính cân nhiệt lƣợng, tính tốn khí - Phần 4: Tính tốn thiết bị phụ: thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu, bơm, thiết bị ngƣng tụ hồi lƣu sản phẩm đỉnh SVTH: Nguyễn Minh Đạt - MSSV: 20150846 Trang - - Đồ án Quá trình-Thiết bị CNHH-TP GVHD: GS.TS.Nguyễn Hữu Tùng PHẦN SƠ ĐỒ CƠNG NGHỆ 2.1 Sơ đồ cơng nghệ, thích: STT Kí hiệu Tên thiết bị E-1 Tháp chƣng luyện T-1 Thùng chứa hỗn hợp đầu T-2 Thùng chứa sản phẩm đáy T-3 Thùng chứa sản phẩm đỉnh H-1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu H-2 Thiết bị gia nhiệt đáy tháp C-1 Thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy C-2 Thiết bị ngƣng tụ hồi lƣu sản phẩm đỉnh C-3 Thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy 10 R-1 Cơ cấu hồi lƣu sản phẩm đỉnh 11 R-2 Cơ cấu hồi lƣu đáy tháp 12 P-1 Bơm 13 P-2 Bơm dự phòng 14 X-1 Thiết bị tháo nƣớc ngƣng sau thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 15 X-2 Thiết bị tháo nƣớc ngƣng sau thiết bị gia nhiệt đáy tháp 16 F-1 Lƣu lƣợng kế đo lƣu lƣợng hỗn hợp đầu 17 F-2 Lƣu lƣợng kế đo lƣu lƣợng sản phẩm đỉnh 18 Hệ thống van V-1; V-2; ; V-18 Thuyết minh sơ đồ công nghệ Dung dịch đầu từ thùng chứa hỗn hợp đầu T-1 đƣợc bơm P-1 bơm liên tục đƣa vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu H-1 qua van V-2 lƣu lƣợng kế F-1 Bơm P-2 đƣợc lắp song song dự phòng trƣờng hợp bơm P-1 bị hỏng hóc Tại thiết bị gia nhiệt H-1, dung dịch đƣợc đun nóng đến nhiệt độ sơi tF đƣợc đƣa vào tháp chƣng luyện E-1 vị trí đĩa tiếp liệu 2.2 Trong tháp chƣng luyện E-1, từ dƣới lên gặp chất lỏng từ xuống, nồng độ cấu tử thay đổi theo chiều cao tháp, nhiệt độ sôi thay đổi tƣơng ứng với thay đổi nồng độ Cụ thể đĩa chóp tháp, chất lỏng có nồng độ cấu tử dễ bay x1, bốc lên có nồng độ y1, y1>x1 Hơi qua SVTH: Nguyễn Minh Đạt - MSSV: 20150846 Trang - - Đồ án Quá trình-Thiết bị CNHH-TP GVHD: GS.TS.Nguyễn Hữu Tùng ống lên đĩa trên, qua khe chóp, sục vào (tiếp xúc pha) với lỏng Nhiệt độ chất lỏng đĩa thấp đĩa 1, nên phần đƣợc ngƣng tụ lại, nồng độ cấu tử dễ bay đĩa x2>x1 Hơi bốc lên từ đĩa có nồng độ cấu tử dễ bay y2>x2 lên đĩa 3, nhiệt độ lỏng đĩa thấp đĩa 2, nên đƣợc ngƣng tụ phần chất lỏng đĩa có nồng độ x3>x2 Trên đĩa xảy trình truyền chất pha lỏng pha hơi, trình bốc ngƣng tụ phần lặp lại nhiều lần, cuối đỉnh tháp thu đƣợc sản phẩm đỉnh có nồng độ cấu tử dễ bay cao dƣới đáy tháp thu đƣợc sản phẩm đáy có nồng độ cấu tử khó bay cao Lỏng dƣới đáy giàu cấu tử khó bay qua cấu hồi lƣu đáy tháp R-1, phần đƣợc đƣa khỏi thiết bị làm lạnh thiết bị làm lạnh C-1, đạt đến nhiệt độ cần thiết đƣợc đƣa vào thùng chứa sản phẩm đáy T-2 Một phần sản phẩm đáy đƣợc qua thiết bị gia nhiệt đáy tháp H-2 để hồi lƣu trở tháp Hơi đỉnh tháp giàu cấu tử dễ bay vào thiết bị ngƣng tụ hồi lƣu C-2, đƣợc ngƣng tụ lại Qua cấu hồi lƣu R-2, phần chất lỏng hồi lƣu tháp đĩa cùng, phần khác qua thiết bị làm lạnh C-3 để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết vào thùng chứa sản phầm đỉnh T-3 Nhƣ với thiết bị làm việc liên tục hỗn hợp đầu đƣợc đƣa vào liên tục sản phẩm đƣợc tháo liên tục SVTH: Nguyễn Minh Đạt - MSSV: 20150846 Trang - 10 - Đồ án Quá trình-Thiết bị CNHH-TP GVHD: GS.TS.Nguyễn Hữu Tùng khí quyển, để phun chất lỏng tháp đệm, phòng sấy Với hệ thống thiết bị trình bày đồ án này, Δpk = 5.2.1.1 Áp suất động lực học Áp suất động lực học đƣợc tính theo cơng thức: .2 pd , N/m2 [1 377 II.54] Trong đó: +) ρ khối lƣợng riêng chất lỏng, kg/m3 +) ω tốc độ lƣu thể, m/s a) Đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu vào tháp Các số liệu: ρF=1391,07 (kg/m3); dtd=dt(F) = 0,150m; ω = 0,244 (m/s) .2 1391,07 0, 2442 41, 41 (N/m2 ) 2 b) Đoạn ống đẩy từ bơm đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Các số liệu: ρ=1453,1 (kg/m3); dtd=dt = 0,05m; ω = (m/s) Thay số: pd(1) .2 1453,1 22 2906, (N/m2 ) Thay số: pd(2) 2 Áp suất động lực học tổng cộng là: pd pd(1) pd(2) 41,41 2906,2 2947,61 (N/m2 ) 5.2.1.2 Áp suất để khắc phục trở lực ma sát đƣờng ống thẳng Áp suất khắc phục trở lực ma sát đƣờng ống thẳng tính theo cơng thức: L .2 p m , N/m2 [1 377 II.55] d td Trong đó: +) λ hệ số ma sát +) L chiều dài ống dẫn, m +) dtd đƣờng kính tƣơng đƣơng ống dẫn, m a) Đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu vào tháp Các số liệu: ρF=1391,07 (kg/m3); dtd=dt(F) = 0,150m; ω = 0,244 (m/s) Xác định hệ số ma sát λ: - Ở nhiệt độ tF=550C, nội suy từ bảng số liệu 4.3.1 có độ nhớt cấu tử CS2 0,26 (cP); CCl4 0,619 (cP) Nên độ nhớt hỗn hợp: lg F x F lg CS2 (1 x F ) lg CCl4 0,543 lg 0, 26 (1 0,543) lg 0,62 F 0,387 (cP) 0,387.103 (N.s/m2 ) - Chuẩn số Reynold: Re .d td 0, 244.0,15.1391,07 131558,56 104 3 0,387.10 SVTH: Nguyễn Minh Đạt - MSSV: 20150846 Trang - 79 - Đồ án Quá trình-Thiết bị CNHH-TP GVHD: GS.TS.Nguyễn Hữu Tùng - Chế độ chảy dòng chất lỏng ống chế độ chảy xoáy Do hệ số 6,81 0,9 ma sát: 21.lg độ [1 380 II.65] , đó: 3,7 d td Re nhám tƣơng đối; ε độ nhám tuyệt đối (m) + Chọn ống nguyên ống hàn điều kiện ăn mịn theo bảng II.15 [1 – 381] ta có: ε = 0,2 (mm) Do độ nhám tƣơng đối: Δ = 1,33.10-3 6,81 0,9 1,33.103 + Thay số: 21.lg 3,7 0,0144 131558,56 Chọn chiều dài đoạn ống L = (m) Thay số: pm(1) L .2 1391,07.0, 2442 0,0144 11,93 (N/m ) d td 0,15 b) Đoạn ống đẩy từ bơm đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Các số liệu: ρ=1453,1 (kg/m3); dtd=dt = 0,05m; ω = (m/s) Xác định hệ số ma sát λ: - Ở nhiệt độ tF=200C, từ bảng số liệu 4.3.1 có độ nhớt cấu tử CS2 0,366 (cP); CCl4 0,97 (cP) Nên độ nhớt hỗn hợp: lg F x F lg CS2 (1 x F ) lg CCl4 0,543 lg 0,366 (1 0,543) lg 0,97 F 0,571 (cP) 0,571.103 (N.s/m2 ) - Chuẩn số Reynold: Re .d td 2.0,05.1453,1 254483,36 104 3 0,571.10 - Chế độ chảy dòng chất lỏng ống chế độ chảy xốy Do hệ số 6,81 0,9 ma sát: 21.lg độ [1 380 II.65] , đó: 3,7 d td Re nhám tƣơng đối; ε độ nhám tuyệt đối (m) + Chọn ống nguyên ống hàn điều kiện ăn mòn theo bảng II.15 [1 – 381] ta có: ε = 0,2 (mm) Do độ nhám tƣơng đối: Δ = 4.10-3 6,81 0,9 4.103 + Thay số: 21.lg 3,7 0,0162 254483,36 Chọn chiều dài đoạn ống L = 10 (m) Thay số: pm(2) L .2 10 1453,1.22 0,0162 9416,09 (N/m ) d td 0,05 Áp suất để khắc phục trở lực ma sát ống thẳng tổng cộng đoạn là: pm pm(1) pm(2) 11,93 9416,09 9428,02 (N/m2 ) 5.2.1.3 Áp suất để khắc phục trở lực cục SVTH: Nguyễn Minh Đạt - MSSV: 20150846 Trang - 80 - Đồ án Quá trình-Thiết bị CNHH-TP GVHD: GS.TS.Nguyễn Hữu Tùng Áp suất khắc phục trở lực ma sát đƣờng ống thẳng tính theo cơng thức: pc L .2 2 td , N/m2 [1 377 II.56] d td Trong đó: +) ξ hệ số trở lực cục +) Ltd chiều dài tƣơng đƣơng, m a) Đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu vào tháp Các số liệu: ρF=1391,07 (kg/m3); ω = 0,244 (m/s) Đoạn ống có khuỷu ghép 900 khuỷu 300 tạo thành, có trở lực ξ1 Với Re=131558,56>105, chọn a/b=1, tra bảng II.16-N030 [1 – 394] ξ1 = 0,3 b) 2 0, 2442.1391,07 0,3 12, 42 (N/m2 ) Thay số: pc(1) 2 Đoạn ống đẩy từ bơm đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Các số liệu: ρ=1453,1 (kg/m3); ω = (m/s) Đoạn ống có lắp van chiều để điều chỉnh lƣu lƣợng bảo vệ bơm, có trở lực ξ1 Lắp thêm lƣu lƣợng kế, có trở lực ξ2=0 Chọn van chiều kiểu đĩa khơng có định hƣớng phía dƣới có b/D0 = 0,1, tra bảng II.16-N047 [1 – 400] ξ1 = 0,55 2 22.1453,1 0,55 1598, 41 (N/m2 ) 2 Áp suất để khắc phục trở lực cục đoạn là: Thay số: pc(2) pc pc(1) pc(2) 12,42 1598,41 1610,83 (N/m2 ) 5.2.1.4 Áp suất để khắc phục áp suất thủy tĩnh Áp suất khắc phục áp suất thủy tĩnh đƣợc tính theo cơng thức: pH .g.H, N/m2 [1 377 II.57] Trong đó: +) ρ khối lƣợng riêng chất lỏng 200C, ρ=1453,1 (kg/m3) +) H chiều cao nâng cột chất lỏng, H=10(m) Thay số: pH .g.H 1453,1.9,81.10 142549,11 (N/m2 ) 5.2.1.5 Áp suất để khắc phục trở lực thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Áp suất cần thiết để khắc phục thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Δpt bao gồm: áp suất động lực học Δptd, áp suất ma sát ống truyền nhiệt Δptm, áp suất trở lực cục Δptc, áp suất thủy tĩnh ΔptH a) Áp suất động lực học Trong phần tính tốn thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu, tốc độ lỏng thực tế đạt ωt = 0,329 (m/s); khối lƣợng riêng ttb=38,760C ρ = 1420,66 (kg/m3) Thay số: p td .2 1420,66 0,3292 76,89 (N/m2 ) 2 SVTH: Nguyễn Minh Đạt - MSSV: 20150846 Trang - 81 - Đồ án Quá trình-Thiết bị CNHH-TP GVHD: GS.TS.Nguyễn Hữu Tùng b) Áp suất để khắc phục ma sát ống truyền nhiệt Các số liệu: ρ=1420,66 (kg/m3); đƣờng kính ống truyền nhiệt dtd=d= 0,021m; vận tốc lỏng ω = 0,329 (m/s) Xác định hệ số ma sát λ: - Ở nhiệt độ ttb=38,760C, độ nhớt hỗn hợp: μ = 0,4514.10-3 (N.s/m2) - Chuẩn số Reynold: Re .d td 0,329 0,0211420,66 21744, 22 104 3 0, 4514.10 - Chế độ chảy dòng chất lỏng ống chế độ chảy xốy Do hệ số 6,81 0,9 ma sát: 21.lg độ [1 380 II.65] , đó: Re 3,7 d td nhám tƣơng đối; ε độ nhám tuyệt đối (m) + Chọn ống nguyên ống hàn điều kiện ăn mịn theo bảng II.15 [1 – 381] ta có: ε = 0,2 (mm) Do độ nhám tƣơng đối: Δ = 9,52.10-3 6,81 0,9 9,52.103 + Thay số: 21.lg 3,7 0,0192 21744, 22 Thiết bị có chiều dài ống truyền nhiệt H = 1,5 (m), chia làm ngăn nên thực tế chiều dài đƣờng lỏng L = 6.1,5 = (m) Thay số: p tm L .2 1420,66.0,3292 0,0192 632,67 (N/m ) d td 0,021 c) Áp suất để khắc phục trở lực cục bên thiết bị Dòng lỏng chảy thiết bị phải qua ngăn nhiều chỗ đột mở, đột thu .d 3,14.0,052 0,002 (m2 ) + Tiết diện cửa vào thiết bị (từ ống đẩy bơm): f1 4 .d 3,14.0,152 0,018 (m2 ) + Tiết diện cửa thiết bị (dẫn tháp): f 4 + Giả sử ngăn có tiết diện nhau, tiết diện khoảng trống đầu thiết bị .d 3,14.0,152 0,003 (m2 ) 6 + Giả sử 36 ống đƣợc chia vào ngăn trung bình ngăn có tổng tiết ứng với ngăn là: f3 diện ống truyền nhiệt là: f .d 37 3,14.0,0212 37 0,002 (m2 ) 6 Xác định hệ số trở lực cục bộ: + Dòng chảy vào thiết bị gia nhiệt tức đột mở f1/f3=0,7, tra bảng II.16-N011 [1 – 387] ξ1 = 0,09 + Dòng chảy từ ngăn vào ống truyền nhiệt, có ngăn tức đột thu lần với f4/f3=0,7, tra bảng II.16-N013 [1 – 388] ξ2 = 0,20 SVTH: Nguyễn Minh Đạt - MSSV: 20150846 Trang - 82 - Đồ án Quá trình-Thiết bị CNHH-TP GVHD: GS.TS.Nguyễn Hữu Tùng + Dòng chảy từ ống truyền nhiệt vào ngăn, có ngăn tức đột mở lần với f4/f3=0,7, tra bảng II.16-N011 [1 – 388] ξ3 = 0,09 + Dịng chảy khỏi thiết bị gia nhiệt tức đột mở f3/f2=0,1, tra bảng II.16N011 [1 – 387] ξ4 = 0,81 + Tổng hệ số trở lực cục bộ: ξ=ξ1+6.ξ2+6.ξ3+ξ4=2,64 Thay số: ptc .ptd 2,64.76,89 202,99 (N/m2 ) d) Áp suất để khắc phục áp suất thủy tĩnh Ống truyền nhiệt cao 1,5m Thay số: pH .g.H 1420,66.9,81.1,5 20905,01 (N/m2 ) e) Áp suất để khắc phục trở lực thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu p t p td p tm p tc p tH 76,89 632,67 202,99 20905,01 21817,56 (N/m2 ) 5.2.1.6 Áp suất toàn phần Vậy áp suất toàn phần cần để khắc phục sức cản thủy lực hệ thống là: p pd p m p H pC p t p k 2947,61 9428,02 1610,83 142549,11 21817,56 178353,13 (N/m ) 5.2.2 Tính tốn thơng số bơm li tâm Chiều cao toàn phần bơm cần tạo ra: H p 178353,13 = =12,5 (m) .g 1453,1.9,81 Hiệu suất chung bơm (hiệu suất toàn phần): η = η0 ηtl ηck - Tra bảng II.32 [1 – 439] có hiệu suất thể tích tính đến hao hụt chất lỏng chảy từ vùng áp suất cao đến vùng áp suất thấp chất lỏng rò qua chỗ hở bơm: η0 = 0,85-0,96; hiệu suất thủy lực, tính đến ma sát tọa dịng xốy bơm: ηtl = 0,8-0,85; hiệu suất khí tính đến ma sát khí ổ bi, ổ lót trục: ηck = 0,92-0,96 - Chọn η0 = 0,95; ηtl = 0,85; ηck = 0,95 → η = 0,767 Công suất yêu cầu trục động bơm: N Q..g.H , kW [1 439 II.189] 1000. Trong đó: +) Q = V = 4,13.10-3 (m3/s) suất bơm: +) ρ khối lƣợng riêng chất lỏng 200C, ρ=1453,1 (kg/m3) +) H chiều cao toàn phần bơm, m/s; H = 12,5 (m) +) η = 0,767 hiệu suất toàn phần Thay số: N Q..g.H 4,13.103.1453,1.9,81.12,5 0,959 (kW) 1000. 1000.0,767 SVTH: Nguyễn Minh Đạt - MSSV: 20150846 Trang - 83 - Đồ án Quá trình-Thiết bị CNHH-TP Công suất động điện: Ndc GVHD: GS.TS.Nguyễn Hữu Tùng N , kW [1 439 II.190] tr dc Trong đó: +) ηtr hiệu suất truyền động, chọn ηtr = 0,95 +) ηdc hiệu suất động điện, chọn ηdc = 0,85 Thay số: Ndc N 0,959 1,188 (kW) tr dc 0,95.0,85 Thông thƣờng ngƣời ta chọn động điện lớn so với cơng suất tính tốn (lƣợng dƣ dựa vào khả tải): Ncdc .Ndc , kW [1 439 II.191] Tra bảng II.3 [1 – 440] có hệ số dự trữ 1,3 Ncdc .Ndc 1, 1,188 1,5444 (kW) Tính tốn thiết bị ngƣng tụ hồi lƣu Để nâng cao độ tinh khiết sản phẩm đỉnh để tránh tƣợng khô đĩa đĩa ta sử dụng thiết bị ngƣng tụ hồi lƣu đƣa phần sản phẩm đỉnh 5.3 hồi lƣu trở lại tháp Lƣợng khỏi đỉnh tháp: gd P.(R 1) 8136 (1,9 1) 23594,4 (kg/h) Ngƣng tụ đỉnh tháp gồm 0,975 (phần khối lƣợng) CS2 0,025 (phần khối lƣợng) CCl4 nhiệt độ tP = 46,50C Để ngƣng tụ ta dùng thiết bị ngƣng tụ loại ống chùm, kiểu thẳng đứng, chế tạo từ thép CT3, có bọc lớp cách nhiệt bên sử dụng nƣớc lạnh làm tác nhân lạnh Giả thiết nhiệt độ đầu nƣớc 200C; nhiệt độ cuối chọn 450C, để tránh tƣợng muối dễ kết tủa đóng cặn lại bề mặt ống trao đổi nhiệt Tại thiết bị ngƣng tụ hồi lƣu xảy trình trao đổi nhiệt từ đỉnh tháp với nƣớc làm lạnh, lƣợng nhiệt trao đổi nhiệt lƣợng cần cung cấp để hóa lƣợng khỏi đỉnh tháp Ta chọn thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm thẳng đứng với thông số: - Chiều cao ống trao đổi nhiệt: H = (m) - Đƣờng kính ngồi ống trao đổi nhiệt: dn = 25 (mm) - Chiều dày thành ống trao đổi nhiệt: δ = (mm) - Đƣờng kính ống trao đổi nhiệt: dt = 21 (mm) - Tác nhân nóng hỗn hợp CS2 – CCl4 khỏi đỉnh tháp có độ tinh khiết cao nên ta cho bên chùm ống, tác nhân làm lạnh nƣớc lạnh ta cho bên ống để dễ làm vệ sinh chất bẩn bám ống Hơi từ xuống, nƣớc từ dƣới lên - Hệ số dẫn nhiệt vật liệu: λ = 50 (W/m.độ) [2 – 313] Yêu cầu thiết kế quan trọng việc thiết kế thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu xác định đƣợc bề mặt truyền nhiệt Ngồi cịn xác định thơng số khác nhƣ: đƣờng kính, chiều cao, số ống số ngăn thiết bị SVTH: Nguyễn Minh Đạt - MSSV: 20150846 Trang - 84 - Đồ án Quá trình-Thiết bị CNHH-TP GVHD: GS.TS.Nguyễn Hữu Tùng 5.3.1 Tính lƣợng nhiệt trao đổi 5.3.1.1 Xác định động lực trình truyền nhiệt Nhiệt độ đầu vào nƣớc là: td = 200C, Nhiệt độ cuối nƣớc là: tc = 450C Nhiệt độ ngƣng tụ là: tnt = tP = 46,50C → Δt1 = tnt – td = 46,5 – 20 = 26,50C; Δt2 = tnt – tc = 46,5 – 45 = 1,50C Hiệu số nhiệt độ trung bình hai lƣu thể: t Thay số: t 5.3.1.2 t1 t [2 V.8] t1 ln t t1 t 26,5 1,5 8,710 C t 26,5 ln ln t 1,5 Lƣợng nhiệt trao đổi t d t c 20 45 32,50 C 2 Trong phần cân nhiệt lƣợng 4.4.3.2 xác định đƣợc Nhiệt độ trung bình dịng nƣớc ống: t tb +) Ẩn nhiệt ngƣng tụ sản phẩm đỉnh: rnt = 348070,3 (J/kg) +) Nhiệt dung riêng nƣớc nhiệt độ trung bình t=32,50 C Cn = 0,998375 (cal/kg.độ) = 4180 (J/kg.độ) +) Lƣợng nƣớc lạnh cần tiêu tốn ngƣng tụ hoàn toàn đỉnh: G n2 78588,61 (kg/h) Nhiệt lƣợng trao đổi: Qnt (R 1).P.rnt 2,26 (1,9 1) 348070,3 2281252,75 (J/s) 5.3.2 Xác định hệ số truyền nhiệt K Quá trình truyền nhiệt bao gồm phần: Cấp nhiệt từ cho thành ống truyền nhiệt phía bên (tƣờng trái): q1 1. t1 (W/m2 ) Trong đó: +) α1 hệ số cấp nhiệt (W/m2.độ) +) Δt1 = tnt – tT1 hiệu số nhiệt độ thành ống phía tiếp xúc với Dẫn nhiệt từ thành ống phía tiếp xúc (tƣờng trái) sang thành ống tiếp xúc với nƣớc (tƣờng phải) (dẫn nhiệt qua 1m2 thành ống): q T t T (W/m2 ) r Trong đó: +) Σr tổng nhiệt trở thành ống (m2.độ/W) +) ΔtT = tT1 – tT2 hiệu số nhiệt độ phía thành ống +) tT1, tT2 nhiệt độ phía thành ống Cấp nhiệt từ thành ống phía tiếp xúc với nƣớc (tƣờng phải) cho nƣớc: SVTH: Nguyễn Minh Đạt - MSSV: 20150846 Trang - 85 - Đồ án Quá trình-Thiết bị CNHH-TP GVHD: GS.TS.Nguyễn Hữu Tùng q 2 t (W/m2 ) Trong đó: +) α2 hệ số cấp nhiệt từ thành ống (W/m2.độ) +) Δt2 = tT2 – ttb hiệu số nhiệt độ nƣớc thành ống phía tiếp xúc với nƣớc Do hệ số truyền nhiệt K đƣợc xác định theo cơng thức: K Trong đó: +) 1 r 1 2 i r r1 i [2 V.5] (W/m2.độ) r2 tổng nhiệt trở thành ống (m2.độ/W) +) r1, r2 nhiệt trở cặn bẩn phía thành ống (m2.độ/W) +) δ bề dày thành ống, m +) λ = 50 (W/m.độ) hệ số dẫn nhiệt thành ống 5.3.2.1 Xác định hệ số cấp nhiệt α2 a) Tính chuẩn số Re, xác định chế độ chảy nƣớc Re .l. [2 13 V.36] Trong đó: +) ω tốc độ nƣớc, giả sử nƣớc chảy xoáy ω = (m/s) +) l = dtd kích thƣớc hình học, đƣờng kính tƣơng đƣơng ống truyền nhiệt +) ρ khối lƣợng riêng nƣớc, (kg/m3) +) μ (N.s/m2) độ nhớt động lực nƣớc nhiệt độ ttb=32,50C Ở nhiệt độ ttb=32,50C tra bảng I.5 [1 – 12] có ρ = 994,895 (kg/m3); bảng I.102 có μ = 0,7601.10-3 (N.s/m2) Chọn ống truyền nhiệt kích thƣớc 25x2 (mm) (đƣờng kính ngồi 25mm, dày 2mm) nên đƣờng kính ống: dt = 25 – 2.2 = 21 (mm) Ống dạng trịn nên đƣờng kính tƣơng đƣơng; dtd = dt = 21 (mm) Do đó: Re 1 0,021 994,895 27486,9 104 3 0,7601.10 b) Tính chuẩn số Pran Pr Cp [2 12 V.35] Trong đó: +) Cp nhiệt dung riêng đẳng áp nƣớc ttb=32,50C Đã tính đƣợc mục 5.3.1.2: Cp = Cn = 4180 (J/kg.độ) +) μ = 0,7601.10-3 (N.s/m2) : độ nhớt động lực nƣớc ttb=32,50C +) λ hệ số dẫn nhiệt nƣớc (W/m.độ) SVTH: Nguyễn Minh Đạt - MSSV: 20150846 Trang - 86 - Đồ án Quá trình-Thiết bị CNHH-TP GVHD: GS.TS.Nguyễn Hữu Tùng Ở nhiệt độ ttb=32,50C tra bảng I.129 [1 – 133] có hệ số dẫn nhiệt nƣớc λ=0,527 (kcal/m.h.độ) = 0,613 (W/m.độ) 4180 0,7601.103 Do đó: Pr 5,18 0,613 c) Tính chuẩn số Nuyxen, xác định hệ số cấp nhiệt α2 Chuẩn số Nuyxen đƣợc xác định theo công thức: .l [2 11 V.33] Nu l Trong đó: +) α = α2 hệ số cấp nhiệt từ thành ống (W/m độ) Nu +) l = dtd = 0,021 (m) kích thƣớc hình học +) λ = 0,613 (W/m.độ) hệ số dẫn nhiệt nƣớc Do chế độ chảy nƣớc ống chế độ chảy xoáy (Re>104) nên: Nu 0,021.1.Re Pr 0,8 0,43 Pr Prt 0,25 [2 14 V.40] Trong đó: +) Prt chuẩn số Pran nƣớc theo nhiệt độ trung bình tƣờng +) ε1 hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hƣởng tỉ số chiều dài l đƣờng kính d ống Do tỉ số l 50 Re = 27486,9 nên d tra bảng V.2 [2 – 15] có ε1 = Tỉ số Pr thể ảnh hƣởng dịng nhiệt (đun nóng hay làm nguội) Khi Prt Pr chênh lệch tƣờng dịng nhỏ Prt 0,25 [2 – 15] Thay số: Nu 0,0211 27486,90,8 5,180,43 1 151,59 Do đó: Nu 0,613 151,59 4424,98 (W/m2.độ) l 0,021 5.3.2.2 Xác định tổng trở nhiệt thành ống Σr Giả thiết lớp cặn bẩn bám bề mặt truyền nhiệt (bên tƣờng phía tiếp xúc với nƣớc lạnh) có bề dày khoảng 0,5 mm có nhiệt trở trung bình - Lớp cặn bẩn phía tiếp xúc nƣớc lạnh: r1 = 0,464.10-3 (m2.độ/W) [2 – 4] - Bên phía sản phẩm đỉnh nên gần nhƣ khơng có cặn: r2 = (m2.độ/W) Thành ống dày δ = (mm) = 0,002 (m); làm thép CT3 có hệ số dẫn nhiệt λ = 50 (W/m.độ) Do đó, tổng nhiệt trở thành ống là: i r i r1 0,002 r2 0, 464.103 5,04.104 (m2.độ/W) 50 SVTH: Nguyễn Minh Đạt - MSSV: 20150846 Trang - 87 - Đồ án Quá trình-Thiết bị CNHH-TP GVHD: GS.TS.Nguyễn Hữu Tùng 5.3.2.3 Xác định hệ số cấp nhiệt sản phẩm đỉnh α1 Khi tốc độ ống nhỏ (Wh < 10 m/s) màng lỏng ngƣng chuyển động dịng hệ số cấp nhiệt α1 ống nằm ngang: 2,04.A r [2 28 V.101] , (W/m2.độ) t1.H Trong đó: +) α = α1 hệ số cấp nhiệt (W/m2.độ) +) A hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng nƣớc ngƣng tm +) r (J/kg) ẩn nhiệt ngƣng tụ hơi, rnt = 348070,3 (J/kg) xác định phần 5.3.1.2 +) Δt1 hiệu số nhiệt độ lỏng ngƣng (tn = 46,50C) nhiệt độ phía thành ống tiếp xúc (tT1) → Δt1 = tbh – tT1 +) H chiều cao ống truyền nhiệt, H = 1,5 (m) Giả thiết Δt1 = 3,50C → tT1 = tn – Δt1 = 46,5 – 3,5 = 43 0C Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm=0,5(tT1+tn)=0,5.(43+46,5)=44,750C, tra cứu dựa vào bảng số liệu [2 – 29] ta có: A = 126,8 Do đó: 1 2,04 126,8 348070,3 4150,75 (W/m2.độ) 3,5 1,5 Tải nhiệt riêng phía đốt: q1 1. t1 4150,75 3,5 14527,62 (W/m2 ) Hiệu số nhiệt độ phía thành ống là: t T t T1 t T2 r q1 5,04.104 14527,62 7,320 C t T2 t T1 t T 43 7,32 35,680 C Hiệu số nhiệt độ nƣớc thành ống tiếp xúc với nƣớc làm lạnh: t t T2 t tb 35,68 32,5 3,180 C Tải nhiệt riêng phía hỗn hợp hơi: q 2 t 4424,98 3,17 14062,95 (W/m2 ) Sai số: q1 q 14527,62 14062,95 3,19% 5% Giả thiết đƣa chấp q1 14527,62 nhận đƣợc Chọn giá trị 1 4150,75 (W/m2.độ) lƣợng nhiệt truyền cho 1m2 ống trung bình là: q tb 5.3.2.4 K q1 q 14527,62 14062,95 14295, 28 (W/m2 ) 2 Xác định hệ số truyền nhiệt K 1 r 1 2 = 1 5,04.104 4150,75 4424,98 1029,96 (W/m2.độ) 5.3.3 Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt SVTH: Nguyễn Minh Đạt - MSSV: 20150846 Trang - 88 - Đồ án Quá trình-Thiết bị CNHH-TP Diện tích bề mặt truyền nhiệt: q F GVHD: GS.TS.Nguyễn Hữu Tùng Q K.t, (W/m2 ) [2 V.2] F Q 2281252,75 160 m2 q 14295, 28 5.3.4 Xác định số ống, cách xếp ống thiết bị trao đổi nhiệt F f Trong đó: +) F = 160 m tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt Số ống thiết bị đƣợc xác định theo công thức: n +) f .d tb h diện tích bề mặt ống truyền nhiệt, m2 +) h0 = 1,5 m chiều cao ống truyền nhiệt d t d n 21 25 23mm 0,023m đƣờng kính trung 2 bình ống truyền nhiệt +) d tb Thay số: n F 160 1476,9 (ống) f 3,14 0,023 1,5 Chọn xếp ống theo hình cạnh (kiểu bàn cờ) Quy chuẩn theo bảng số liệu V.II [2 – 48] ta có: - Tổng số ống thiết bị là: n = 1615 ống - Số hình cạnh là: 21 ống - Số ống đƣờng xuyên tâm hình cạnh là: b = 43 (ống) - Số ống cạnh hình cạnh: a = 0,5.(b+1) = 22 (ống) [2 – 48 – V.139] 5.3.5 Đƣờng kính thiết bị Đƣờng kính thiết bị đƣợc xác định theo công thức: D t.(b 1) 4.d Trong đó: +) d = dn = 25mm đƣờng kính ống truyền nhiệt +) t bƣớc ống, thƣờng t = 1,2 – 1,5d Chọn t = 1,2d = 30 mm Thay số: D t.(b 1) 4.d 30.(43 1) 4.25 1360mm 1,36m SVTH: Nguyễn Minh Đạt - MSSV: 20150846 Trang - 89 - Đồ án Quá trình-Thiết bị CNHH-TP GVHD: GS.TS.Nguyễn Hữu Tùng PHẦN KẾT LUẬN Nhƣ đồ án, tháp chƣng luyện loại đĩa chóp đƣợc thiết kế với thơng số chính, số hồi lƣu R = 1,9, đƣờng kính D = 1,8 m, chiều cao H = 18,4 m (trong đoạn luyện 8,45, đoạn chƣng 9,45 m) ứng với 35 đĩa (17 đĩa đoạn lueyenj 18 đĩa đoạn chƣng), tháp dày 10mm, nắp tháp có dạng elip dày 10mm, đặt đế đỡ cao 1,8m dày 20mm, chiều dày vòng đáy trụ 15 mm có gắn thêm gân tăng cứng, phân phối chóp đĩa dạng tam giác với 22 chóp đĩa Do đặc điểm q trình chƣng luyện hệ số phân bố thay đổi theo chiều cao tháp, đồng thời trình truyền nhiệt diễn song song với trình chuyển khối làm cho q trình tính tốn thiết kế trở nên phức tạp Một khó khăn mà tính tốn thiết kế hệ thống chƣng luyện gặp phải khơng có cơng thức cho việc tính tốn hệ số động học trình chƣng luyện công thức công thức chƣa phản ánh đƣợc đầy đủ tác dụng động học, hiệu ứng hóa học, hóa lí mà chủ yếu cơng thức thực nghiệm, cơng thức tính tốn phần lớn phải tính theo giá trị trung bình, thơng số vật lí chủ yếu nội suy, số kích thƣớc, thơng số có nhiều cách xác định tùy thuộc vào nhà sản xuất, tiêu chuẩn nƣớc cụ thể nhƣ Liên Xô (cũ), tiêu chuẩn Anh – Mỹ nên khó khăn cho việc tính tốn xác Trong phạm vi khn khổ đồ án môn học, thời gian không cho phép đồng thời hạn chế kiến thức lí thuyết nhƣ thực tế sản xuất lần tiếp xúc với đồ án, trình bày thuyết minh Microsoft Word, vẽ sơ đồ công nghệ Microsoft Visio Professional 2010, đặc biệt vẽ lắp thiết bị vẽ tay trình bày giấy A1 nên không tránh khỏi bỡ ngỡ, sai sót Em mong đƣợc giúp đỡ dạy thầy cô môn Qua đồ án em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Hữu Tùng quan tâm, giúp đỡ, bảo tận tình giúp em hồn thành đồ án, hiểu rõ mơn học, phƣơng pháp thực tính tốn thiết kế, cách tra cứu số liệu xử lí số liệu Em xin chân thành cảm ơn! SVTH: Nguyễn Minh Đạt - MSSV: 20150846 Trang - 90 - Đồ án Quá trình-Thiết bị CNHH-TP GVHD: GS.TS.Nguyễn Hữu Tùng PHẦN PHỤ LỤC PHỤ LỤC 1: DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng 4.1.1.Bảng thành phần cân pha lỏng–hơi nhiệt độ sôi hỗn hợp CS2–CCl4 - 14 Bảng 4.1.2 Bảng giá trị αi tƣơng ứng với giá trị xi - 20 Bảng 4.1.3 Bảng số liệu quan hệ NLT=f(R), V=NLT(R+1) - 22 Bảng 4.1.4 Bảng số liệu nhiệt độ sơi; lƣu lƣợng dịng hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy - 24 Bảng 4.1.5 Bảng số liệu nồng độ cấu tử phân bố pha lỏng (x), pha khỏi đĩa (y) pha cân với lỏng đĩa (y*) hỗn hợp đầu, hỗn hợp sản phẩm đỉnh, hỗn hợp sản phẩm đáy - 25 Bảng 4.1.6 Bảng nhiệt hóa rhh (kcal/ kg) phụ thuộc vào nhiệt độ CS2 CCl4 [1 – 254 – Bảng I.212] (1 kcal/ kg = 4.1868.103 J/kg) - 26 Bảng 4.2.1 Bảng khối lƣợng riêng phụ thuộc vào nhiệt độ CS2 CCl4 trạng thái lỏng [1 – – Bảng I.2] - 29 Bảng 4.2.2 Sức căng bề mặt phụ thuộc nhiệt độ CS2 CCl4, - 30 Bảng 4.2.3 Bảng chọn giá trị khoảng cách đĩa phụ thuộc - 30 Bảng 4.3.1 Độ nhớt động lực phụ thuộc nhiệt độ CS2 CCl4 trạng thái lỏng [1 – 91 – Bảng I.101] - 32 Bảng 4.3.2 Xác định hiệu suất bậc thay đổi nồng độ đoạn chƣng - 34 Bảng 4.3.3 Xác định hiệu suất bậc thay đổi nồng độ đoạn luyện - 35 Bảng 4.4.1 Nhiệt dung riêng phụ thuộc nhiệt độ CS2 CCl4 - 37 Bảng 4.5.1 Bảng thơng số tính chất thép X18H10T - 43 Bảng 4.5.2 Bảng chọn thông số bích nối thân tháp với đáy nắp tháp - 51 Bảng 4.5.3 Bảng chọn thơng số bích nối thân tháp với ống dẫn - 52 Bảng 4.5.4 Bảng chọn chiều dài đoạn ống nối với ống dẫn - 53 Bảng 4.5.5 Bảng chọn chiều dài đoạn ống nối với ống dẫn trƣờng hợp cần cắm sâu ống vào thiết bị - 53 Bảng 4.5.6 Bảng chọn thơng số bích lắp kính quan sát - 54 Bảng 4.5.8 Bảng tính khối lƣợng bích nối thân với ống dẫn - 61 Bảng 4.5.9 Thiết kế vòng chịu tải kiểu ốp góc đơn - 65 - PHỤ LỤC 3: DANH SÁCH CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH MINH HỌA Hình 4.1.1 Đồ thị quan hệ x, y – t - 15 SVTH: Nguyễn Minh Đạt - MSSV: 20150846 Trang - 91 - Đồ án Quá trình-Thiết bị CNHH-TP GVHD: GS.TS.Nguyễn Hữu Tùng Hình 4.1.2 Đồ thị đƣờng cân pha lỏng (x) – (y) hỗn hợp cấu tử CS2 – CCl416 Hình 4.1.3 Đồ thị y – x (đồ thị Mc Cabe – Thiele) hỗn hợp cấu tử CS2 – CCl4 chế độ số hồi lƣu nhỏ Rmin - 18 Hình 4.1.4 Đồ thị y – x (đồ thị Mc Cabe – Thiele) hỗn hợp cấu tử CS2 – CCl4 chế độ hồi lƣu hoàn toàn - 19 Hình 4.1.5 Đồ thị quan hệ NLT=f(R) - 22 Hình 4.1.6 Đồ thị quan hệ V=NLT(R+1) - 23 Hình 4.3.1 Đồ thị Mc Cabe xác định số đĩa lí thuyết với Rth=1.9 - 33 Hình 4.5.1 Nắp đáy thiết bị - 49 Hình 4.5.2 Bích liền thép để nối thiết bị (kiểu I) - 51 Hình 4.5.3 Bích liền kim lại đen để nối phận thiết bị ống dẫn - 53 Hình 4.5.4 Hình minh họa tính tốn kết cấu chóp - 54 Hình 4.5.5 Vịng chịu tải kiểu ốp góc đơn (tất góc tiếp xúc đƣợc hàn) 65 - SVTH: Nguyễn Minh Đạt - MSSV: 20150846 Trang - 92 - Đồ án Quá trình-Thiết bị CNHH-TP GVHD: GS.TS.Nguyễn Hữu Tùng PHẦN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tập thể tác giả, Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hố chất, tập Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2004 [2] Tập thể tác giả, Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hoá chất, tập Nhà [3] xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2004 Nguyễn Hữu Tùng, Kỹ thuật tách hỗn hợp nhiều cấu tử, tập 1: Các nguyên lý ứng dụng, Nhà xuất Bách Khoa, Hà Nội, 2010 [4] Nguyễn Hữu Tùng, Kỹ thuật tách hỗn hợp nhiều cấu tử, tập 2: Tính tốn [5] thiết kế, Nhà xuất Bách Khoa, Hà Nội, 2013 Nguyễn Bin, Các trình thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm tập 4, Phân riêng dƣới tác dụng nhiệt Nhà xuất Khoa học Kỹ [6] thuật, Hà Nội, 2008 Bộ môn Q trình - Thiết bị Cơng nghệ Hóa học Thực phẩm, Hƣớng dẫn thực Đồ án môn học Q trình thiết bị Cơng nghệ hóa học, Hà Nội, 2016 [7] Phạm Xuân Toản, Các trình thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm tập 3, Các trình thiết bị truyền nhiệt Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2003 [8] Trần Hữu Quế, Vẽ kỹ thuật, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2000 SVTH: Nguyễn Minh Đạt - MSSV: 20150846 Trang - 93 -